Эксперименты по созданию искусственных экосистем, способных обеспечить человека всеми необходимыми ресурсами (воздухом, водой и пищей), были начаты с развитием космонавтики и открывающимися перспективами колонизации солнечной системы. Первыми успешными проектами можно назвать российскую установку «БИОС-3», американскую «Биосфера-2» и китайскую «Юэгун-1». Эти проекты объединяет идея создания самоподдерживающейся системы жизнеобеспечения человека при длительных космических перелетах или при создании лунных и даже марсианских баз.
Как все начиналось
В 1961 г. по заданию С. П. Королёва в отделении биофизики Института физики Сибирского отделения АН СССР начались эксперименты по культивированию одноклеточной водоросли хлореллы. По оценкам советских специалистов два человека в год потребляют около 300 кг кислорода, 2,5 тонны воды и 400 кг пищи, а выделяют 350 кг углекислого газа и тонну отходов.
Уже первые эксперименты показали, что в идеальных условиях живые организмы растут и развиваются гораздо активнее, чем в природной среде, где на их росте сказываются ограничения множества экологических факторов. Оставалось подобрать и создать такие условия.
Установка БИОС-1 (1964 г.) использовала всего 18 литров культуры Chlorella vulgaris, растущей на площади 8 м2 при искусственном освещении, чего было достаточно для обеспечения одного человека. К сожалению, приучить экспериментаторов есть хлореллу не удалось (по питательным свойствам хлорелла пригодна в пищу, но главным фактором здесь выступила психология человека).
В 1966 г. к существующей камере БИОС-1 было пристроено второе помещение — фитотрон размером 2.0x2.5x1.7 м. В нем размещались высшие растения (пшеница, овощи) как средство регенерации атмосферы и источник пищи. Новая установка получила название БИОС-2.
Наконец, в начале 1972 г. состоялся запуск полномасштабной установки БИОС-3 стоимостью около 1 млн. рублей (порядка 200 млн. руб. в ценах 2015 года). Фактически в ней прошли три длительных эксперимента с экипажами численностью два и три человека.
Ход эксперимента: прожить год в герметичном бункере
Самый длительный и известный эксперимент занял 180 суток — с 24 декабря 1972 по 22 июня 1973 — и состоял из трех этапов. Два первых месяца регенерацию атмосферы обеспечивали только высшие растения (пшеница и девять видов овощных культур), причем сточные воды шли на полив пшеницы. После этого вместо фитотрона № 2 был подключен отсек с культиваторами хлореллы, в которые направлялись жидкие выделения. Еще через два месяца в фитотроне № 2 была организована витаминная оранжерея, а фитотрон № 1 закрыт.
Члены экипажа подбирались на основе 4 критериев:
- во-первых, они помогали строить установку и поэтому были сильно заинтересованы в эксперименте;
- во-вторых, они обладали желаемыми личностными качествами, в том числе сознательностью, эффективностью, нравственными качествами и способностью избегать или предотвращать конфликты;
- в-третьих, они хорошо знали программу эксперимента и участвовали в обсуждении вносимых модификаций;
- в-четвертых, они прошли строгий медицинский отбор.
Естественно, перед началом миссии члены эксперимента прошли детальный инструктаж по работе системы в целом, о том, как культивировать, собирать и обрабатывать урожай и готовить еду.
Как работает установка БИОС-3
Комплекс БИОС-3 построили в подвале корпуса отделения биофизики. Герметичное помещение со стенами из нержавеющей стали имело размеры 14x9x2.5 м и объем около 315 м3. Оно было разделено на четыре равных по площади отсека: один жилой и три регенеративных. В жилом отсеке располагались три каюты членов экипажа, кухня-столовая, санузел, отсек управления и рабочая зона-мастерская-лаборатория с оборудованием для переработки урожая, утилизации несъедобной биомассы и ремонтных работ, а также системами доочистки воды и воздуха.
Отсеки соединялись герметизируемыми дверями, доступ во внешнюю среду был возможен через воздушный шлюз. Управление системами установки осуществлялось автономно — экипажем. Чтобы люди внутри «БИОСа» могли общаться с внешним миром, герметичный бункер обеспечили телевизором и телефоном. Была смонтирована система охлаждения и подачи энергии.
Отсеки-фитотроны имели суммарный объем 150 м3 при посевной площади 40.8 м2. Каждый из них освещался 20 дуговыми ксеноновыми лампами ДКсТВ-6000 мощностью по 6 кВт с водным охлаждением, свет которых близок к естественному солнечному как по интенсивности, так и по спектру. В них высаживалась карликовая пшеница (на площади 34 м2) и овощные культуры: соя, чуфа, салат, морковь, редис, репа, свекла, картофель, огурцы, щавель, капуста, укроп и лук. Пшеница сорта 232 выращивалась в непрерывной воздушной субирригационной культуре, овощи — по методу гидропоники на керамзите, то есть в водном растворе минеральных солей. В обоих случаях был реализован «возрастной конвейер»: пшеница высаживалась участками из 14 различных возрастов, овощи — из шести возрастов.
Конденсат испаренной влаги из отсеков с фитотронами проходил кипячение и дополнительно перерабатывался на ионообменных смолах и активированном угле до состояния, пригодного для питья. От микробного культиватора отказались, и твердые отходы человеческой жизнедеятельности высушивались и удалялись. Жидкие отходы проходили минерализацию (разложение на окислы, минеральные соли и воду) и удалялись либо могли идти на корм хлорелле и на полив пшеницы. Сточно-бытовая вода поступала в питательные растворы пшеницы и овощей.
Результаты эксперимента
Посев и уход за растениями, сбор урожая и выпечка хлеба занимали большую часть времени экипажа. Зато оранжерея БИОС-3 давала в среднем в сутки 600 г зерна и примерно 1100 г свежих овощей. Часть зерна отбиралась на семена для посева и на анализы, а из оставшегося выпекали хлеб (листайте галерею).
Суммарный показатель замкнутости круговорота веществ на первом этапе составил 82.4%, а на втором и третьем — 91%. Удалось достичь полного замыкания системы по кислороду и углекислому газу и почти полного (95%) по воде. По массе пищи (критерий, существенный при использовании квазизамкнутой системы жизнеобеспечения в космическом полете) коэффициент замыкания был около 75%. Экипаж получал 100% необходимой растительной пищи, дополненной мясными продуктами в виде обезвоженных консервов.
В ходе эксперимента отмечалось угнетение пшеницы на втором этапе из-за чрезмерного полива сточно-бытовой водой и овощных культур на третьем этапе из-за токсичного воздействия малых примесей атмосферы. Нерешенными оставались проблемы естественной утилизации биомассы растений и возвращения во внутрисистемный массообмен выводимой из организма человека соли.
Судьба установки после эксперимента
В конце 1980-х годов финансирование БИОС практически прекратилось — и проект был заморожен. Для его спасения в 1992 г. был создан Международный центр замкнутых экологических систем.
В 2012-2013 гг. на базе БИОС-3 по гранту BIOSMHARS (Моделирование биозагрязнения связанных с космосом местообитаний) на сумму 98 тыс. евро реализовался проект Международной Европейской программы, а с 2013 года началось сотрудничество российских ученых с китайскими коллегами, которые в это время начали работы над собственной установкой с поэтичным названием Лунный дворец (Юэгун-1).
Потенциал установки «БИОС» огромен. Пускай пока рано думать о полноценном освоении Луны и Марса, но ведь и на нашей планете есть множество мест, где человеку приходится преодолевать крайне неблагоприятные условия окружающей среды. Крайний Север, пустынные районы и даже океаническое дно могут стать более доступными с применением технологий «БИОСа».
Кроме того, такие установки как нельзя лучше подходят для проведения масштабных экспериментов по моделированию изменения климата и другим глобальным процессам, лучшее понимание течения которых обещает нам очевидные выгоды. Будем надеяться интерес «Больших людей» к работе Красноярских ученых еще вернется.
Источники:
- http://www.ibp.ru
- П. Павельцев. Новости космонавтики. № 07 (378). – 2014. Том 24. – С. 63-65.
- F. Salisbury, J. Gitelson, G. Lisovsky. Bios-3: Siberian Experiments in Bioregenerative Life Support / BioSciens, 1997. - Vol. 47, № 9. – pp. 575-585.
- Gitelson I., Terskov I. et al., Long-Term Experiments on Man’s Stay in Biological Life-Support System / Controlled Ecological Life Support Systems: natural and artificial ecosystems (NASA) / Espoo, Finland, 1989. – pp. 61-67
- Гительзон И., Дегерменджи А., Тихомиров А. Замкнутые системы жизнеобеспечения / Наука в России, 2011. - № 6 (186). – С. 4-10.